Doktorant Mateusz Kuniej, prof. Paweł Machnikowski oraz dr inż. Michał Gawełczyk opublikowali artykuł w Physical Review Letters, jednym z najbardziej prestiżowych i wpływowych czasopism z dziedziny fizyki.

W swojej pracy fizycy z WPPT obliczają, w jaki sposób dźwięk – przy niewielkiej pomocy lasera – może precyzyjnie kontrolować spiny elektronów w kropkach kwantowych: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/tbfh-t2q5

Spiny elektronów uwięzionych w maleńkich strukturach półprzewodnikowych, zwanych kropkami kwantowymi, stanowią obiecujące elementy budulcowe przyszłych technologii kwantowych. Mogą przechowywać informację kwantową oraz oddziaływać ze światłem, mikrofalami oraz otaczającymi je jądrami atomowymi – a wszystko to w wysoce kontrolowany sposób. Ze względu na tę wszechstronność spiny kropek kwantowych są atrakcyjne do budowy kwantowych komputerów, czujników i urządzeń komunikacyjnych.

Mateusz Kuniej, doktorant Instytut Fizyki Teoretycznej

– Kontrolowanie takich układów kwantowych za pomocą światła jest obecnie rutynowe. Natomiast wykorzystanie dźwięku – a dokładniej, drgań mechanicznych rozchodzących się w ciele stałym – pozostaje wciąż wyzwaniem – wyjaśnia Michał Gawełczyk z Instytutu Fizyki Teoretycznej WPPT. – Dźwięk ma jednak wyjątkowe zalety: jego krótkie fale sprawiają, że idealnie nadaje się do kompaktowych urządzeń mieszczących się na mikrochipie, co potencjalnie umożliwia powstanie nowej formy zminiaturyzowanej technologii kwantowej.

dr inż. Michał Gawełczyk

Pokonany przez fizyków problem tkwił w fundamentalnym ograniczeniu. W półprzewodnikach spiny elektronów oddziałują z drganiami mechanicznymi bardzo słabo. W rezultacie same fale dźwiękowe nie mogą bezpośrednio i wydajnie manipulować stanem spinu, ponieważ naruszałoby to podstawowe prawa zachowania.

W opublikowanym artykule fizycy pokazują, jak pokonać tę przeszkodę, stosując podejście łączące w sobie użycie dźwięku i światła. Wykorzystując starannie dostrojony laser pomocniczy, skutecznie obchodzą ograniczenie uniemożliwiające dźwiękowi kontrolowanie spinów. Pozwala to drganiom mechanicznym na obrót spinu elektronu w kropce kwantowej.

prof. Paweł Machnikowski

Mateusz Kuniej podkreśla, że wyniki ich pracy otwierają drogę do hybrydowych urządzeń kwantowych, w których dźwięk działa jako łącznik między kropkami kwantowymi a innymi układami w ciele stałym. – Podczas gdy na duże odległości informacje kwantowe przesyłamy za pomocą światła, nośnikiem przyszłości na małych odległościach są kwanty dźwięku zwane fononami, stanowiące  skuteczną drogę do skalowalnych, w pełni zintegrowanych technologii kwantowych – podsumowuje doktorant.

WARTO WIEDZIEĆ

Physical Review Letters to jedno z najważniejszych czasopism fizycznych na świecie. Jego wydawcą jest American Physical Society (Amerykańskie Towarzystwo Fizyczne). Czasopismo jest uznawane za źródło najważniejszych nowości w fizyce – obejmuje jej wszystkie dziedziny od mechaniki kwantowej i cząstek elementarnych po biofizykę i kosmologię i dociera do szerokiego grona fizyków na całym świecie.